JP6358991B2 - 発電機 - Google Patents

Description

本発明は、発電機に関する。

発電機を用いた技術として、例えば、特開２００２−１０５７３号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、その従来技術として、主軸と、この主軸の他端に固定され、かつ外周８極に着磁された磁性体と、この磁性体の外周部に設けられた櫛状の電極群と、この電極群の下方に設けられたコイルとを備える発電装置が開示されており、この発電装置はコギングを生じるという課題が開示されている。この課題を解決する手段として、特許文献１には、図６に示すように、外周８極に着磁された磁石１０１と、磁性体１０２と、磁石１０１と磁性体１０２との間に配置され、かつ８個の電線巻回部からなるコイル１０３とを備え、磁石１０１とコイル１０３との相対移動が行われても磁石１０１と磁性体１０２との距離が一定となるように構成されている発電装置１００が開示されている。

特開２００２−１０５７３号公報

しかしながら、図６に示す上記特許文献１の発電装置１００は、従来技術に開示された発電装置に比べて起動トルクを低減できるものの、出力電圧が小さいという問題があることを本発明者は初めて明らかにした。

本発明は、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上する発電機を提供することを課題とする。

図６に示す上記特許文献１の発電装置１００の出力電圧が小さいという問題は、コイル１０３を構成する８個の電線巻回部のそれぞれが、略三角形状の空芯コイルであり、その形状を維持するためには、ターン数が少なくなることに起因していることを、本発明者は鋭意研究の結果、見出した。そこで、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上するために、コイルのターン数を増加させることに着目し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の発電機は、筐体と、シャフトと、マグネットと、４個の空芯コイルとを備えている。シャフトは、筐体に回転自在に支持されている。マグネットは、筐体内に収容され、シャフトに支持され、シャフトの回転軸線を中心に回転し、回転方向に着磁されている。４個の空芯コイルは、筐体内に収容され、筐体に固定され、マグネットと対向するように配置され、シャフトの回転軸線を中心に配置されている。

本発明の発電機によれば、４個の空芯コイルを備えているので、それぞれの空芯コイルを回転軸線近くまで配置することができる。これにより、空芯コイルのそれぞれのターン数を増加することができるので、起電力を向上することができる。また、マグネットと４個の空芯コイルとが対向して配置されているので、低い起動トルクを維持できる。したがって、本発明の発電機は、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上できる。

本発明の発電機において好ましくは、空芯コイルの空芯に配置され、ヨークで形成された球体をさらに備えている。これにより、磁力を有効に利用できるので、起電力をより向上できる。

本発明の発電機において好ましくは、マグネットの背面に固定された第１のヨーク材と、空芯コイルの背面に固定された第２のヨーク材とをさらに備え、第１のヨーク材と第２のヨーク材との間に、マグネット及び空芯コイルが位置している。

これにより、第１のヨーク材と第２のヨーク材とでマグネット及び空芯コイルを挟み込む配置を実現できる。このため、磁気閉回路を形成できるので、起電力をより向上できる。

本発明の発電機において好ましくは、第１のヨーク材は、シャフトに接触固定されている。これにより、磁気閉回路を容易に形成できる。

本発明の発電機において好ましくは、マグネットは、シャフトに片持ち支持されている。これにより、筐体内においてシャフトの自由端側のスペースを広くできる。

本発明の発電機によれば、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上できる。

本発明の実施の形態１における発電機を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における発電機を構成するマグネットを概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１における発電機を構成するシャフト、マグネット、コイル及び第２のヨーク材を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態２における発電機を構成するシャフト、マグネット、コイル及び第２のヨーク材を概略的に示す平面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 特許文献１に開示の発電装置の平面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態の発電機について説明する。発電機１は、筐体１１と、シャフト１２と、軸受１３と、第１のヨーク材１４と、マグネット１５と、空芯コイル１６と、第２のヨーク材１７と、蓋部１８と、プーリー１９と、ナット２０と、スペーサ２１とを備えている。

筐体１１は、第１の筒状部１１ａと、この第１の筒状部１１ａよりも外径及び内径の大きな第２の筒状部１１ｂとを有しており、両端は解放されている。

この筐体１１に回転自在にシャフト１２が支持されている。シャフト１２は、その延在方向に沿った回転軸線Ｏを中心に回転可能に設けられている。シャフト１２は、筐体１１の第１の筒状部１１ａ内全体を延在し、第１の筒状部１１ａの上方及び第２の筒状部１１ｂ内まで延出している。シャフト１２は、例えばネジ付シャフトである。

筐体１１にシャフト１２を回転自在に支持するために、軸受１３が設けられている。軸受１３は、筐体１１の第１の筒状部１１ａにおける延在方向の両端部に設けられている。本実施の形態では、軸受１３は、オイレスメタルである。

シャフト１２に接触固定されるように、第１のヨーク材１４が設けられている。第１のヨーク材１４は、筐体１１の第２の筒状部１１ｂ内に収容されている。第１のヨーク材１４は、リング状であり、シャフト１２の自由端側の端部に加締め固定されている。

この第１のヨーク材１４には、マグネット１５が固定されている。マグネット１５は、第１のヨーク材１４におけるシャフト１２の自由端側（図１において下側）の面に設けられており、シャフト１２からは離隔されている。マグネット１５は、シャフト１２の回転軸線Ｏを中心に回転する。マグネット１５は、筐体１１の第２の筒状部１１ｂ内に収容されている。マグネット１５は、リング状である。

本実施の形態のマグネット１５は、シャフト１２に片持ち支持されている。つまり、マグネット１５は、シャフト１２の自由端に支持されている。具体的には、筐体１１の第１の筒状部１１ａ内の両端部に軸受１３を介して回転支持されたシャフト１２において、軸受１３から第２の筒状部１１ｂに延びる自由端に加締められた第１のヨーク材１４に、マグネット１５が固定されている。

マグネット（磁石）とは、永久磁石である。マグネット１５の極数は特に限定されないが、本実施の形態のマグネット１５は、図２に示すように、回転方向（周方向）に４極に着磁され、極性が交互に変わっている。マグネット１５は、片面着磁であってもよく、両面着磁であってもよい。マグネット１５の材料は特に限定されないが、高い磁力を示す観点から、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石を用いることが好ましい。

このマグネット１５に対向するように、４個の空芯コイル１６が配置されている。換言すると、マグネット１５のリング状の面と、空芯コイル１６の略三角形状の面とが対向している。さらに換言すると、マグネット１５と空芯コイル１６とは、面対向している。マグネット１５と空芯コイル１６とは間隔を隔てて設けられ、マグネット１５の回転の有無（マグネット１５と空芯コイル１６との相対的な位置変化）に関わらず、その間隔を一定に維持する。

４個の空芯コイル１６は、筐体１１の第２の筒状部１１ｂ内に収容され、かつ筐体１１に固定されている。また、４個の空芯コイル１６は、シャフト１２には支持されていない。このため、４個の空芯コイル１６は回転しない。

図３に示すように、４個の空芯コイル１６は、シャフト１２の回転軸線Ｏを中心に配置されている。本実施の形態では、４個の空芯コイル１６のそれぞれは略同じ形状を有しており、回転軸線Ｏを中心に点対称に配置されている。

４個の空芯コイル１６のそれぞれは、電線が略三角形に巻回されてなり、中空となる空芯１６ａを有している。図３の矢印に示すように、隣り合う空芯コイル１６の巻回方向は異なっている。つまり、空芯コイルは交互に逆向きに結線して、一回転で４個の波形を取り出すことができる。

図１及び図３に示すように、マグネット１５の外周縁は、空芯コイル１６の外周縁よりも回転軸線Ｏ側に位置している。空芯コイル１６の回転軸線Ｏ側の頂点は、マグネット１５の内周縁よりも回転軸線Ｏ側またはマグネット１５の内周縁と重なり合うように位置している。

この４個の空芯コイル１６の背面（図１において下側）には、第２のヨーク材１７が固定されている。第２のヨーク材１７は、円板状またはリング状である。

第２のヨーク材１７は、筐体１１の第２の筒状部１１ｂの解放端に取り付けられ、シャフト１２には支持されていない。このため、第２のヨーク材１７は回転しない。また、筐体１１に固定された第２のヨーク材１７に、４個の空芯コイル１６が固定されているので、４個の空芯コイル１６は筐体１１に固定されている。

このように、第１のヨーク材１４と第２のヨーク材１７との間に、マグネット１５及び空芯コイル１６が位置している。なお、マグネット１５の背面に第１のヨーク材１４が固定され、空芯コイル１６の背面に第２のヨーク材１７が固定されているが、固定とは、直接（接触）固定と、他の部材を介する間接固定とを含む。

第１のヨーク材１４及び第２のヨーク材１７を形成するヨーク（継鉄）とは、マグネットが持つ吸着力を増幅する軟鉄であり、鉄を含んでいればよく、軟磁性材料を含む。

第１のヨーク材１４、マグネット１５、４個の空芯コイル１６、及び第２のヨーク材１７の回転軸線Ｏに直交する方向の表面の面積のそれぞれは、筐体１１の第２の筒状部１１ｂの回転軸線Ｏに直交する方向の内周縁で囲まれる面の面積の５０％以上である。

筐体１１の第２の筒状部１１ｂを被覆するように、蓋部１８が設けられている。筐体１１の第２の筒状部１１ｂの解放端には段差が形成されており、第２のヨーク材１７を挟んで、第２の筒状部１１ｂの段差と係合する段差を蓋部１８は有している。

筐体１１の第１の筒状部１１ａから延出したシャフト１２には、プーリー１９が設けられている。プーリー１９は、シャフト１２を挿通する貫通穴を有している。シャフト１２とプーリー１９とを固定するために、ナット２０が設けられている。

また、プーリー１９と軸受１３との間、及び、第１のヨーク材１４と軸受１３との間には、スペーサ２１が設けられている。

また、発電機１は、シャフト１２を回転させる動力源として、シャフト１２に接続されたプーリー１９を駆動する駆動部材（図示せず）をさらに備えていてもよい。駆動部材として、例えば、自転車の車輪の回転運動をプーリー１９に伝達する部材、風力によりプーリー１９を回転させるための部材などが挙げられる。

なお、プーリー１９の代わりに、プロペラ等をシャフト１２に取り付けても良い。

続いて、図１〜図３を参照して、本実施の形態の発電機１の動作について説明する。

まず、駆動部材（図示せず）などを用いて、シャフト１２を回転する。これにより、シャフト１２に接触固定された第１のヨーク材１４が回転し、この回転に伴ってマグネット１５がシャフト１２の回転軸線Ｏを中心に回転する。４個の空芯コイル１６は筐体１１に固定されているので、シャフト１２の回転に伴って回転しないため、シャフト１２の回転により、空芯コイル１６とマグネット１５との相対的な位置を変化させることができる。これにより、４個の空芯コイル１６に電磁誘導が生じるので、空芯コイル１６には起電力（誘導電流）が発生する。この起電力は、空芯コイル１６に接続された配線（図示せず）を介して整流回路（図示せず）に伝達される。

本実施の形態の発電機では、マグネット１５と４個の空芯コイル１６とが互いに面対向しているので、マグネット１５の回転によって４個の空芯コイル１６に磁束の変化を発生させることができるので、低い起動トルクで起電力を発生することができる。それに加えて、シャフト１２の回転軸線Ｏを中心に４個の空芯コイル１６が配置されているので、４個の空芯コイル１６を回転軸線Ｏ近くまで配置することができる。このため、空芯コイル１６のそれぞれのターン数を増加できるので、起電力を向上することができる。したがって、本実施の形態の発電機１は、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上できる。

また、本実施の形態の発電機１において、マグネット１５は回転方向に４極に着磁されていることが好ましい。この場合、特許文献１に開示の図６に示す外周８極に着磁された磁石１０１に比べて、本実施の形態では着磁ピッチが広くなるので、磁力線を遠くまで飛ばすことができるため、起電力をさらに向上できる。

また、本実施の形態では、一回転４パルスの出力周波数になるので、整流回路の発熱、ロスなどを低減できる。

（実施の形態２）
図４及び図５を参照して、本発明の実施の形態２の発電機３０について説明する。実施の形態２の発電機３０は、基本的には実施の形態１の発電機１と同様の構成を備えているが、図４及び図５に示すように、空芯コイル１６の空芯１６ａ（中空部）に配置され、ヨークで形成された球体３１をさらに備えている点において異なる。

本実施の形態では、球体３１として、鋼球を用いている。図５に示すように、空芯１６ａの高さが球体３１の外径よりも大きい場合には、空芯１６ａの高さ方向に沿って複数の球体３１を配置してもよい。

本実施の形態の発電機３０によれば、空芯コイル１６の空芯１６ａに配置された球体３１はヨークで形成されているので、ヨークにより起動トルクはやや高くなるものの、磁力を有効に利用できるので、起電力をより向上できる。

以上説明したように、実施の形態１の発電機１及び実施の形態２の発電機３０は、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上できるので、自転車の発電ランプ用発電機に好適に用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例では、空芯コイルの数を４個にすることによる効果について調べた。

（本発明例１）
本発明例１の発電機は、図１〜図３に示す実施の形態１と同様とした。具体的には、第１のヨーク材１４及び第２のヨーク材１７として、電気亜鉛めっき鋼板（ＳＥＣＣ）で形成されたリング状のものをそれぞれ用いた。第１のヨーク材１４の内径は３．０ｍｍで、外径は２７．０ｍｍであった。第２のヨーク材１７の内径は３．０ｍｍで、外径は３１．５ｍｍであった。マグネット１５として、図２に示すように周方向に４極に着磁され、片面着磁されていたＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石を用いた。マグネット１５の内径は７．０ｍｍであり、外径は２５．０ｍｍであった。この状態で４個の空芯コイル１６を配置した結果、それぞれの空芯コイルのターン数は４９０ターンであり、４個の空芯コイルの合計のターン数は１９６０ターンであった。

（本発明例２）
本発明例２の発電機は、本発明例１の発電機と同様であったが、図４に示すように４個の空芯コイル１６のそれぞれの空芯１６ａにヨークで形成された球体３１を１個配置した点において異なっていた。球体３１として鋼球を用いた。

（比較例１）
比較例１の発電機は、本発明例１の発電機において、マグネットの極数を８とし、空芯コイルを８個配置した点において異なっていた。空芯コイルの数を８個にしたので、それぞれの空芯コイルのターン数は２０６ターンであり、８個の空芯コイルの合計のターン数は１６４８ターンであった。

（比較例２）
比較例２の発電機は、比較例１の発電機と同様であったが、８個の空芯コイルの空芯のそれぞれに、本発明例２と同様の鋼球を１個配置した点において異なっていた。

（比較例３）
比較例３の発電機は、比較例１の発電機と同様であったが、８個の空芯コイルの空芯のそれぞれに、本発明例２と同様の鋼球を２個配置した点において異なっていた。

（評価方法）
本発明例１、２及び比較例１〜３の発電機について、起動トルク及び出力電圧を測定した。

具体的には、起動トルクについては、先ず、ナット２０の一端に棒状の治具をバネ式トルクダイヤルのチャックで固定した。次に、発電機（ワーク）またはトルクダイヤルを回転させて、起動トルクを測定した。出力電圧については、先ず、ナット２０の端部に棒状の治具を、モーター軸にカップリングを介して取り付けた。次に、発電機（ワーク）をチャックで固定してモーターを１０００ｒｐｍで回転させて、出力電圧を空芯コイル１６に接続したオシロスコープで測定した。その結果を下記の表１に記載する。

（評価結果）
表１に示すように、４個の空芯コイルを配置した本発明例１は、鋼球を配置していないという同条件で８個の空芯コイルを配置した比較例１に比べて起動トルクの上昇はわずかであったにも関わらず、出力電圧を大幅に向上できた。同様に、４個の空芯コイルを配置した本発明例２は、１個の鋼球を配置したという同条件で８個の空芯コイルを配置した比較例２に比べて起動トルクの上昇はわずかであったにも関わらず、出力電圧を大幅に向上できた。コイルの空芯に鋼球を２個配置した比較例３は、比較例１及び比較例２に比べて出力電圧を向上できたが、鋼球を配置しなかった本発明例１及び鋼球が１個であった本発明例２よりも出力電圧が低く、起動トルクが非常に高かった。したがって、空芯コイルを４個にすることによって、低い起動トルクを維持しつつ、起電力を向上できることがわかった。

また、コイルの空芯に鋼球を配置した本発明例２は、鋼球を配置しなかった本発明例１に比べて、起動トルクは高くなるものの、出力電圧をさらに向上できることがわかった。また、本発明例２の発電機１の製造において、空芯コイルの空芯に鋼球を容易に配置できた。このため、要求される性能、用途などに応じて、起動トルクと出力電圧とのバランスにより、空芯に配置するヨークで形成された鋼球の数（０個を含む）を調整することが好ましいことがわかった。

［実施例２］
本実施例では、第１のヨーク材１４と第２のヨーク材１７との間にマグネット１５及び空芯コイル１６が位置していることによる効果について調べた。

（サンプル１）
サンプル１は、シャフト１２と、このシャフト１２に加締め固定された第１のヨーク材１４と、第１のヨーク材１４の背面に接触固定されたマグネット１５とを備えていた。シャフト、第１のヨーク材１４及びマグネット１５は、本発明例１と同様であった。

（サンプル２）
サンプル２は、サンプル１においてシャフト１２及び第１のヨーク材１４を省略し、サンプル１のマグネット１５単体とした。

（評価方法）
マグネットの背面にヨーク材を用いたサンプル１（ヨーク材にマグネットを吸着させた状態）と、ヨーク材を用いないサンプル２（マグネット単体）とについて、磁極面積の違いを測定した。具体的には、日本電磁測器（株）のマグネットアナライザーを用いてサンプル１及び２のマグネットの各磁極中央部の磁束密度を３６０度測定し、サンプル１及び２の磁極面積の相対比較値（磁束密度の１周分の積分値）を求めた。その結果を下記の表２に記載する。

（評価結果）
表２に示すように、第１のヨーク材１４を有するサンプル１は、第１のヨーク材１４を有していなかったサンプル２に比べて、磁極面積が約９．５％増加していた。このため、第１のヨーク材１４を配置することによって、出力電圧を向上できることがわかった。

ここで、本実施例では第１のヨーク材１４を配置することで出力電圧を向上できることを確認したが、第２のヨーク材１７をさらに配置することで出力電圧をさらに向上できることは容易に推定される。したがって、本実施例によれば、第１のヨーク材１４と第２のヨーク材１７との間にマグネット１５及び空芯コイル１６が位置している場合には、出力電圧をさらに向上できることがわかる。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，３０ 発電機、１１ 筐体、１１ａ 第１の筒状部、１１ｂ 第２の筒状部、１２ シャフト、１３ 軸受、１４ 第１のヨーク材、１５ マグネット、１６ 空芯コイル、１６ａ 空芯、１７ 第２のヨーク材、１８ 蓋部、１９ プーリー、２０ ナット、２１ スペーサ、３１ 球体、Ｏ 回転軸線。

Claims (4)

1. 筐体と、
   前記筐体に回転自在に支持されたシャフトと、
   前記筐体内に収容され、前記シャフトに支持され、前記シャフトの回転軸線を中心に回転し、回転方向に４極に着磁されたマグネットと、
   前記筐体内に収容され、前記筐体に固定され、前記マグネットと対向するように配置され、前記シャフトの回転軸線を中心に配置された４個の空芯コイルとを備え、
   前記空芯コイルの空芯に配置され、ヨークで形成された球体をさらに備える、発電機。
2. 前記マグネットの背面に固定された第１のヨーク材と、
   前記空芯コイルの背面に固定された第２のヨーク材とをさらに備え、
   前記第１のヨーク材と前記第２のヨーク材との間に、前記マグネット及び前記空芯コイルが位置している、請求項１に記載の発電機。
3. 前記第１のヨーク材は、前記シャフトに接触固定されている、請求項２に記載の発電機。
4. 前記マグネットは、前記シャフトに片持ち支持されている、請求項３に記載の発電機。

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